Lange Nacht der Wissenschaften 2007

In der diesjährigen Langen Nacht der Wissenschaften öffnete das 3D-Labor zum ersten Mal seine Pforten, um interessierten Besuchern einen Einblick in neueste 3D-Digitalisierungs- und Rapid Prototyping Technologien zu geben.

Der Star-Trek-Replikator! Was geht heute schon?

Seit Mitte 2006 gibt es hier am Institut für Mathematik ein 3D-Labor. Unter anderem ist ein 3D-Gipsdrucker für Rapid Prototyping und ein 3D-Scanner zum Digitalisieren von dreidimensionalen Objekten vorhanden. Da wohl die wenigsten Besucher bisher Gelegenheit hatten derartige Technologie live zu sehen, konnten sie bei uns ihre Gesichter live einscannen, bearbeiten und anschließend ebenfalls live als eine Art farbige Gesichtsmaske ausdrucken lassen:

© 3D-Labor

Erleben Sie den faszinierenden Prozess hautnah! Schauen Sie uns über die Schulter, während wir Gesichter in Form und Farbe mit unserem 3D-Scanner erfassen und die erhaltenen 3D-Datensätze bearbeiten! Aus diesen druckt unser 3D-Drucker Schicht für Schicht Modelle aus, die den echten verblüffend ähneln. Als besonderen Service digitalisieren wir auch Ihr Gesicht als Datensatz zum Mitnehmen.

Da der Andrang aufgrund begrenzter Räumlichkeiten nicht vollkommen befriedigt und auch nicht alle unsere Gäste aus Zeitmangel gescannt werden konnten, finden alle Interessierten hier eine ausführliche Zusammenfassung der einzelnen Schritte und bekommen eine Vorstellung, was unsere Besucher in der Langen Nacht erleben konnten.

Scannen und Bearbeiten eines Gesichtes

Kurz gesagt, gliedert sich der Ablauf in 13 Schritte (A-M), die im Folgenden sowohl textuell beschrieben als auch durch Abbildungen verdeutlicht werden. Gestartet wird mit dem Einscannen einer Person (A). Dazu sitzt sie mit geschlossenen Augen möglichst bewegungslos auf einem Stuhl, während wir mit dem 3D-Streifenlichtscanner drei verschiedene Ansichten (von vorne, schräg von links, schräg von rechts) aufnehmen. Die so gewonnenen 3D-Daten des Gesichtes liegen somit als drei Punktwolken vor - jede in einem eigenen Koordinatensystem im dreidimensionalen Raum. Den Vorgang der Transformation dieser drei Scans in ein gemeinsames Koordinatensystem, in dem sie sich korrekt überlappen, nennt man Registrierung (B). Um mit den erhaltenen Daten weiterarbeiten zu können, wird aus der so erhaltenen Gesamt-Punktwolke ein Dreiecksnetz generiert (C). Nach dem Schließen von Löchern im Dreiecksnetz (D-E), die aufgrund fehlender Scaninformation an diesen Stellen (z.B. durch Glanzstellen oder Bartwuchs auf dem Gesicht) auftreten, ist das Modell fertig für den Export aus der Ansteuerungssoftware des Scanners in eine weiterführende Software namens 3ds Max der Firma Autodesk.

Unser Ziel ist der Erhalt eines farbigen 3D-Gesichtmodells, das auf dem 3D-Gipsdrucker schichtweise ausgedruckt werden kann. Dazu müssen u.a. folgende Bedingungen erfüllt sein: Wir benötigen ein geschlossenes und "wasserdichtes" Volumenmodell. D.h. es darf keine Löcher aufweisen und muß eine gewisse druckbare Dicke (wenige Millimeter) aufweisen. In einem ersten Arbeitsschritt wird nun die Kontur des gescannten Gesichts festgelegt und das Modell mit dieser beschnitten (F-G). Da das Gesicht keine Löcher mehr enthält, kann daraus ein Volumenmodell erzeugt werden. Dieser Schritt der sog. Extrusion wird in der Animation unten besonders deutlich. Das Gesicht wird einfach um zwei Millimeter gerade nach hinten geschoben und die Konturen der beiden Gesichtsflächen werden miteinander verbunden (H-I). Damit haben wir ein geschlossenes und "wasserdichtes" Volumenmodell generiert. Jetzt fehlt nur noch ein Foto der gescannten Person, das wir nach entsprechender Bearbeitung als sog. Textur auf die Vorderseite der 3D-Gesichtsmaske mappen (J-L). Das fertige 3D-Modell des Gesichtes ist nun druckbar und das Ergebnis sehen Sie im letzten Bild (M).

Um sich die Vorstellung des gesamten Vorgangs, der gerade beschrieben wurde, zu erleichtern, können Sie sich eine zeitlich geraffte Animation der entscheidenden Schritte des Ablaufs herunterladen.

Ausdrucken des Gesichtes als farbiges 3D-Modell

Im letzten Schritt unserer Präsentation in der Langen Nacht der Wissenschaften zeigten wir den Ausdruck der bis zu diesem Zeitpunkt fertig bearbeiteten Gesichtsmasken. Dazu wird das fertige 3D-Modell in die Ansteuerungssoftware des 3D-Gipsdruckers geladen, in dem virtuellen Bauraum des Druckers positioniert und automatisch in sehr dünne Schichten (ca. 0,1mm) geschnitten. Diese Schichten werden nach und nach auf den Drucker übertragen und ausgedruckt. Im Drucker findet sich eine Vorratskammer mit Gipspulver und direkt daneben das Druckbett. Durch das Anheben der Vorratskammer um eine Schichtdicke (ca. 0,1mm), entsteht ein Überstand, der mittels einer Metallwalze auf das Druckbett übertragen wird. Dadurch entsteht eine "frische" Schicht Gipspulver vergleichbar zu einem Blatt Papier eines herkömmlichen Tintenstrahldruckers. Diese neue Schicht wird nun mit gefärbtem Leim (anstelle von farbiger Tinte wie bei einem Tintenstrahldrucker) entsprechend der Modellschichtdaten bespritzt. Damit verkleben benachbarte Gipspartikel nicht nur innerhalb dieser Pulverschicht, sondern ebenso mit den entsprechenden Pulverkörnern der darunterliegenden, zuvor bespritzten Schicht. Danach wird das Druckbett um eine Schichtdicke abgesenkt, um Platz zu machen für eine neue Schicht aus der Vorratskammer. Das bedeutet somit, dass das gedruckte Modell in der Tiefe des Druckbetts verschwindet. Dieser Prozess wiederholt sich nun solange bis alle zuvor in der Software generierten Schichten des 3D-Modells vollständig ausgedruckt wurden. Nachfolgend finden Sie ein Kurzvideo zum Herunterladen, das den Ausdruck von ca. drei Schichten eines 3D-Gesichtsmodells zeigt. Man sieht die Kontur des Querschnittes ungefähr auf Höhe der Augen. Das Gesicht wird im Liegen mit der Nase nach oben gedruckt.

Der 3D-Datensatz zum Mitnehmen

Da wir aufgrund des engen Zeitrahmens nicht alle gescannten Gesichter ausdrucken konnten, bekamen diese Besucher den 3D-Datensatz ihres Gesichtes integriert in ein Java-Applet (siehe unten), das in eine eigene Webseite eingebaut werden kann, und die Animation ihres sich drehenden Gesichtes als animatedGIF.